CN202120699U - 预冷装置、超导磁体以及磁共振成像设备 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种超导磁体中热辐射屏蔽件的预冷装置。该预冷装置包括：与超导磁体中热辐射屏蔽件相接触的机械热传导部件，用于在对超导磁体进行第二阶段的预冷之前将热辐射屏蔽件冷却至第二温度；所述第二温度低于对超导磁体进行第一阶段预冷后的热辐射屏蔽件温度。本实用新型还公开了一种超导磁体和一种磁共振成像设备。本实用新型所公开的技术方案减少了外部对致冷剂容器的辐射热，从而能够降低致冷剂的消耗。

Description

预冷装置、超导磁体以及磁共振成像设备
技术领域
本实用新型涉及超导磁体的预冷技术，特别是一种超导磁体中热辐射屏蔽件的预冷装置、一种包括该预冷装置的超导磁体、以及一种包括该超导磁体的磁共振成像设备。
背景技术
现有技术中，需要被低温制冷的装置，如磁共振成像(MRI)设备中的超导磁体的超导线圈，通常被放置在一个致冷剂容器(cryogen vessel)中，致冷剂容器又被放置在一个外部真空腔内，真空腔与致冷剂容器之间的空间被抽成真空，为致冷剂容器提供了有效的绝热。但由于真空腔外面与致冷剂容器内部之间的温差较大，使得真空腔与致冷剂容器之间存在较大的热辐射热，为了降低真空腔与致冷剂容器之间的辐射热，通常在真空腔与致冷剂容器之间设置一种热辐射屏蔽件。
在对该超导磁体进行预冷时，通常是分为两个阶段，在第一阶段，利用消耗性的致冷剂(如液氮)，将超导磁体冷却到第一温度；在第二阶段，将一定量的致冷剂(如液氦)，加入到该超导磁体中，将超导磁体冷却到预定温度，即工作温度。该工作温度低于第一温度。
公开号为GB2433581A的英国专利申请公开了上述预冷过程，并且将开环式致冷改进为闭环式致冷，以求降低致冷剂的消耗。
然而，在实际应用中，总是期望能够进一步地降低致冷剂的消耗。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提出一种超导磁体热辐射屏蔽件的预冷装置，用以减少热辐射屏蔽件对致冷剂容器的辐射热，降低液氦的消耗。本实用新型还提供相应的超导磁体和磁共振成像设备。
本实用新型提供了一种超导磁体中热辐射屏蔽件的预冷装置，其中所述超导磁体的超导线圈设置在致冷剂容器中，所述致冷剂容器设置在外部真空腔中，并且在致冷剂容器和外部真空腔之间设置有热辐射屏蔽件；该装置包括冷源部件和机械热传导部件；其中，所述冷源部件用于提供冷量；所述机械热传导部件与所述热辐射屏蔽件相接触，用于利用所述冷源部件提供的冷量主动冷却热辐射屏蔽件。例如将热辐射屏蔽件冷却至第二温度，所述第二温度低于对超导磁体进行第一阶段预冷后的热辐射屏蔽件温度。
根据本实用新型的一种实施例，所述机械热传导部件具有与超导磁体的冷头裙套相配合的结构，并通过该结构固定在所述裙套中。
根据本实用新型的一种实施方式，所述装置为热交换器；所述机械热传导部件包括热交换器的传热导体和热交换管，其中所述传热导体与所述热辐射屏蔽件相接触，所述热交换管连接所述冷源，并与所述传热导体相接触。
根据本实用新型的另一种实施方式，所述装置为机械制冷机；所述机械热传导部件为机械制冷机的导热部件。
进一步，所述机械热传导部件通过具有防冻波纹管的法兰安装在冷头裙套中。
本实用新型还提供了一种超导磁体，所述超导磁体的超导线圈设置在致冷剂容器中，所述致冷剂容器设置在外部真空腔中，并且在致冷剂容器和外部真空腔之间设置有热辐射屏蔽件，所述超导磁体还设置有如上所述的预冷装置。
本实用新型还提供了一种磁共振成像设备，所述磁共振成像设备包括如上所述的超导磁体。
本实用新型还提供了一种超导磁体热辐射屏蔽件的预冷方法，其中所述超导磁体的超导线圈设置在致冷剂容器中，所述致冷剂容器设置在外部真空腔中，并且在致冷剂容器和外部真空腔之间设置有热辐射屏蔽件；该方法包括：在对超导磁体进行第二阶段的预冷之前，利用热交换器或机械制冷机将所述超导磁体中的热辐射屏蔽件主动冷却至第二温度；所述第二温度低于对超导磁体进行第一阶段预冷后的热辐射屏蔽件温度。
根据一个实施方式，利用热交换器主动冷却所述热辐射屏蔽件包括：将热交换器的传热导体和热交换管做成与所述超导磁体中冷头裙套的结构相配合的机械热传导部件；将所述机械热传导部件固定在所述裙套中；利用冷却剂增压设备将冷却剂持续注入所述机械热传导部件的热交换管中，以将所述热辐射屏蔽件主动冷却至第二温度。
其中，所述冷却剂包括液氮，所述冷却剂增压设备包括液氮杜瓦。
根据另一个实施方式，利用机械制冷机主动冷却所述热辐射屏蔽件包括：将机械制冷机的导热部件做成与所述超导磁体中冷头裙套的结构相配合的机械热传导部件；将所述机械热传导部件固定在所述裙套内；启动机械制冷机将冷量通过所述机械热传导部件及裙套传给所述超导磁体的热辐射屏蔽件，以将所述热辐射屏蔽件主动冷却至第二温度。
其中，所述机械制冷机包括：大冷量单级G-M制冷机。
从上述方案中可以看出，由于本实用新型中在对超导磁体进行第二阶段预冷前，采用将热辐射屏蔽件主动冷却至第二温度，而该第二温度低于对超导磁体进行第一阶段预冷后的热辐射屏蔽件温度，因此使得在对超导磁体进行第二阶段预冷时，能够减少热辐射屏蔽件对致冷剂容器的辐射热，在开环式致冷过程中能够降低致冷剂(如液氦)的消耗，在闭环式致冷过程中能够加快致冷的速度。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本实用新型的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本实用新型的上述及其它特征和优点，附图中：
图1为根据本实用新型实施例的超导磁体中热辐射屏蔽件的预冷装置的示例性结构图。
图2a和图2b为本实用新型实施例中采用热交换器作为对超导磁体中的热辐射屏蔽件进行预冷的预冷装置时的机械热传导部件的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本实用新型进一步详细说明。
在英国专利申请GB2433581A涉及的背景技术中，首先利用液氮将超导磁体冷却到第一温度，此时热辐射屏蔽件由300K被冷却至200K左右，但利用液氦将超导磁体冷却至工作温度时，由于热辐射屏蔽件仍处于较高的200K温度，即仍对致冷剂容器具有较高的辐射热。因此，将热辐射屏蔽件由200K降至50K时，仍需要蒸发大量的液氦，而液氦这种致冷剂的价格昂贵，在某些区域很难得到足够的补充。同时，应该尽可能的减少液氦的消耗。本实用新型提出了另外一种技术方案，用来降低对致冷剂的消耗。
本实用新型实施例中，考虑采用消耗性致冷剂对超导磁体进行第一阶段预冷后，只能将热辐射屏蔽件降至第一温度，如MRI设备中超导磁体热辐射屏蔽件的200K，因此考虑在对超导磁体进行第二阶段的预冷之前，采用其他制冷方式，如热交换器或机械制冷机等，首先将热辐射屏蔽件主动冷却至较低的第二温度(该第二温度低于第一温度)，而不是让热辐射屏蔽件被动地由致冷剂容器冷却，从而降低热辐射屏蔽件与致冷剂容器之间的热辐射，这样当采用致冷剂对超导磁体进行第二阶段预冷时，便可减少致冷剂(如液氦)的消耗。
具体实现时，利用热交换器或机械制冷机将所述热辐射屏蔽件冷却至第二温度时，可将热交换器的热交换部件或机械制冷机的导热部件与热辐射屏蔽件相接触对热辐射屏蔽件进行冷却。具体的接触方式可有多种，如可在外部真空腔中开个冷却孔，将所述热交换器的热交换部件或机械制冷机的导热部件通过所述冷却孔与所述热辐射屏蔽件接触。此外，为了充分利用现有超导磁体的结构，不对其进行改动，可充分利用冷头的裙套，将冷头的裙套作为该机械制冷时的冷却孔。
相应地，对于利用热交换器将热辐射屏蔽件冷却至第二温度的情况，具体可包括：将热交换器的传热导体和热交换管做成与超导磁体冷头裙套的结构相配合的机械热传导部件，进行冷却时，将所述机械热传导部件固定在所述裙套中，并利用冷却剂增压设备将冷却剂持续注入所述机械热传导部件的热交换管中，将所述热辐射屏蔽件冷却至第二温度。
其中，注入热交换管中的冷却剂可以为液氮，也可以为其他冷却剂。相应地，所述冷却剂增压设备可以为液氮杜瓦，也可以为其他与所用冷却剂相对应的增压设备。
传热导体和热交换管的材料可以为紫铜等传热性较好的材料，并且传热导体和热交换管可以是一体成型的结构，也可以是采用锡焊的方式或其他焊接方式将热交换管与传热导体焊在一起。
本实施例中，在利用液氮作为热交换器的冷却剂时，对于MRI设备中的超导磁体，本步骤中可将热辐射屏蔽件的温度降至100K左右，这样就大大降低了热辐射屏蔽件对致冷剂容器的辐射热。
此外，对于利用机械制冷机将热辐射屏蔽件冷却至第二温度的情况，具体可包括：将机械制冷机的导热部件做成与超导磁体冷头裙套的结构相配合的机械热传导部件，进行冷却时，将所述机械热传导部件固定在所述裙套内，并启动机械制冷机将冷量通过所述机械热传导部件及裙套传给所述热辐射屏蔽件，将所述热辐射屏蔽件冷却至第二温度。其中，机械制冷机可以是现有技术中的各种制冷机，如大冷量单级G-M制冷机。
其中，将热交换器或机械制冷机的机械热传导部件固定在裙套中时可采用多种实现方式。例如，可以利用具有防冻波纹管的法兰将所述机械热传导部件安装在裙套中。也可以是利用所述机械热传导部件与所述裙套的配合结构将所述机械热传导部件固定在裙套中。
本实用新型实施例中所提供的对热辐射屏蔽件的预冷方法，可以在对超导磁体进行第一阶段的预冷之后进行，也可以在对超导磁体进行第一阶段的预冷之前进行，还可以是与对超导磁体进行第一阶段的预冷同时进行。或者，本实用新型实施例中所提供的对热辐射屏蔽件的预冷方法也可独立进行，即不考虑对超导磁体执行怎样的预冷，如是否执行第一阶段预冷等。
以上对本实用新型实施例中的热辐射屏蔽件预冷方法进行了详细描述，下面再对本实用新型实施例中的热辐射屏蔽件预冷装置进行详细描述。
图1为本实用新型实施例中超导磁体中热辐射屏蔽件的预冷装置的示例性结构图。如图1所示，该装置包括：用于向机械热传导部件的冷源部件201和与热辐射屏蔽件相接触并主动冷却热辐射屏蔽件的机械热传导部件202。
其中，冷源部件201用于将冷量提供给机械热传导部件202。
机械热传导部件202用于与超导磁体中的热辐射屏蔽件相接触，利用冷源部件201提供的冷量主动冷却热辐射屏蔽件，例如将热辐射屏蔽件主动冷却至第二温度。该第二温度低于对超导磁体进行第一阶段预冷后的热辐射屏蔽件温度。
具体实现时，与本实用新型实施例中公开的方法一致，本实施例装置中的机械热传导部件202也可具有与超导磁体冷头裙套相配合的结构，通过将该机械热传导部件202固定在裙套中对热辐射屏蔽件进行主动冷却。其中，将机械热传导部件202固定在裙套中时可采用多种实现方式。例如，可以利用具有防冻波纹管的法兰将机械热传导部件202安装在裙套中。也可以是利用机械热传导部件202与裙套的配合结构将机械热传导部件固定在裙套中。
具体实现时，本实用新型实施例中的预冷装置可以为热交换器。相应地，冷源部件201可以为冷却剂增压设备，机械热传导部件202可包括热交换器的传热导体和热交换管，其中传热导体与热辐射屏蔽件相接触，以主动冷却热辐射屏蔽件，热交换管连接冷源，并与传热导体相接触。该冷却剂增压设备用于将冷却剂注入机械热传导部件202中的热交换管中。具体实现时，传热导体和热交换管的材料可以为紫铜等传热性较好的材料，并且传热导体和热交换管可以是一体成型的结构，也可以是采用锡焊的方式或其他焊接方式将热交换管与传热导体焊在一起。
具体实现时，注入热交换管中的冷却剂可以为液氮，也可以为其他冷却剂。相应地，冷却剂增压设备可以为液氮杜瓦，也可以为其他与所用冷却剂相对应的增压设备。
此外，本实用新型实施例中的装置也可以为机械制冷机。相应地，冷源部件201可以为机械制冷机的制冷部件，机械热传导部件202为机械制冷机的导热部件。导热部件与热辐射屏蔽件相接触，从而主动冷却热辐射屏蔽件。其中，机械制冷机可以是现有技术中的各种制冷机，如大冷量单级G-M制冷机。
图2a和图2b示出了本实用新型一实施例中采用热交换器作为对超导磁体中的热辐射屏蔽件进行预冷的预冷装置时的机械热传导部件的结构示意图。其中，图2b为图2a中去除局部区域外部结构之后的视图。如图2a和图2b所示，该机械热传导部件包括传热导体301、热交换管302、法兰303和诊断口304。
其中，传热导体301和热交换管302采用锡焊的方式焊接在一起。液氮杜瓦将液氮从热交换管302的入口处注入机械热传导部件中的热交换管302中，冷却热辐射屏蔽件时蒸发的氮气从热交换管302的出口处流出。
法兰303具有防冻的波纹管结构，用于将机械热传导部件安装到冷头的裙套上。
诊断口304用于检视热辐射屏蔽件的当前冷却温度。
对于MRI设备的超导磁体，利用图2所示机械热传导部件可将热辐射屏蔽件的温度由200K降至100K左右，或由300K左右的大气温度降至100K左右，这样就大大降低了热辐射屏蔽件对致冷剂容器的辐射热。
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超导磁体中热辐射屏蔽件的预冷装置，其特征在于，该装置包括冷源部件和机械热传导部件；
其中，所述冷源部件用于向所述机械热传导部件提供冷量；
所述机械热传导部件与所述热辐射屏蔽件相接触，并利用所述冷源部件提供的冷量来主动冷却热辐射屏蔽件。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机械热传导部件具有与超导磁体的冷头裙套相配合的结构，并通过该结构固定在所述裙套中。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置为热交换器；所述机械热传导部件包括热交换器的传热导体和热交换管，其中所述传热导体与所述热辐射屏蔽件相接触，所述热交换管连接所述冷源，并与所述传热导体相接触。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置为机械制冷机；所述机械热传导部件为机械制冷机的导热部件。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述机械热传导部件通过具有防冻波纹管的法兰安装在冷头裙套中。
6.一种超导磁体，所述超导磁体的超导线圈设置在致冷剂容器中，所述致冷剂容器设置在外部真空腔中，并且在致冷剂容器和外部真空腔之间设置有热辐射屏蔽件，其特征在于，所述超导磁体还设置有如权利要求1-5中任一项所述的预冷装置。
7.一种磁共振成像设备，其特征在于，所述磁共振成像设备包括如权利要求6所述的超导磁体。
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